ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BIẾN TẦN ÁP 3 PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

biến tần áp 3 pha, điều khiển động cơ không đồng bộ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với việc phát trển mạnh mẽ các ứng dụng của

khoa học kỹ thuật trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp

điện tử nói riêng thì các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo

ngày càng nhiều Và đặc biệt, các ứng dụng vào các ngành kinh tế

quốc dân và sinh hoạt hàng ngày đã và đang phát triển hết sức mạnh

mẽ nhằm mục đích cải thiện đời sống, giảm lao động thủ công và tăng

chất lượng sản phẩm cho con người

Qua đó chúng ta đã khai thác triệt để những ưu điểm vốn có của

các loại động cơ điện bao gồm một chiều và xoay chiều để phục vụ

những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực kĩ thuật điện - tự động

hóa.Với đồ án điện tử công suất này, chúng em sẽ nêu ra một khía cạnh

nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồng bộ

Tuy nhiên, với trình độ và lượng kiến thức có hạn dẫn tới việc

không tránh khỏi có nhiều sai sót, chúng em kính mong các thầy cô

thông cảm và đóng góp ý kiến để giúp chúng em sửa đổi, tiến bộ hơn

Chúng em xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ của các thầy cô

trong khoa Điện – Tự động hóa, đặc biệt là thầy Trần Đình Khôi Quốc

- thầy trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo nhóm chúng em hoàn thành đề tài

này

SV thực hiện:

Đề tài:

“Thiết kê bộ biến tần 3 pha điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ”

Nội dung các chương mục như sau :

Chương I : Tổng quan về động cơ điện không đồng bộ và các

phương pháp điều khiển tốc độ

Chương II : Mạch động lực: Tổng quan về bộ biến tần, giải

thích nguyên tắc hoạt động Tính chọn các phần tử cho mạch động lực

Chương III : Mạch điều khiển: Phương pháp điều khiển; Mạch

điều khiển tổng quát và nguyên tắc hoạt động; Tính chọn các phần tử

mạch điều khiển

Chương IV: Bảo vệ mạch động lực.

Chương V: Mô phỏng trên Simulink/PSIM

Tài liệu tham khảo:

- Sách “ Điện tử công suất ” – Tác giả Nguyễn Bính

- Sách “ Truyền động điện “ – Tác giả Giáp Quang Huy

- Sách “Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất” – Tác giả Phạm Quốc

Hải

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

I.1 Sơ lược về động cơ không đồng bộ

1 Cấu tạo : Gồm 2 phần chính

- Phần đứng yên (Stato): Gồm cuộn dây quấn trên khung được

ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện, lõi sắt và vỏ máy Khi cho

dòng điện chạy qua, điện năng sẽ biến thành hệ thống các

đường sức từ trường có hướng , khép kín trên khung

- Phần quay (Roto): Có 2 dạng là roto lồng sóc và dây quấn,

thông thường chỉ sử dụng roto lồng sóc vì dễ dàng lắp đặt và chi

phí rẻ Nó gồm các thanh đồng được đúc xuyên qua các rãnh

của Roto và được nổi tắt ở 2 đầu, kèm theo cánh tản nhiệt và

quạt làm mát

2 Nguyên lý hoạt động :

Khi ta cấp điện áp 3 pha vào đầu dây quấn của động cơ, trong

Stato sẽ có từ trường quay, từ trường này quét qua các thanh

đồng của Roto, sẽ tạo ra dòng điện kín bên trong đó, làm xuất

hiện các suất điện động và dòng điện cảm ứng

Hai lực tương tác giữa từ trường quay và dòng điện cảm ứng

này tạo ra momen quay tác động lên Roto, làm Roto quay

theo chiều của từ trường với tốc độ gần bằng tốc độ của từ

trường quay

H.1.1 Sơ đô nguyên lý của động cơ không đồng bộ

- Chiều dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía trên Roto hướng từ

trong ra ngoài, còn dòng điện của các thanh dẫn ở nửa phía dưới Roto

hướng từ ngoài vào trong

I.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không

đồng bộ:

1 Điều chỉnh điện áp động cơ:

- Momen của động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện

áp trên stato nên có thể điều chỉnh được momen và tốc độ động

cơ bằng cách thay đổi điện áp trong khi giữ nguyên tần số

2 Điều chỉnh điện trở mạch Roto:

- Ta có : r = rr + rf , khi tăng giá trị điện trở tổng r tức là làm tăng

độ trượt giới hạn Sth còn momen cực hạn mth của động cơ không

đổi

3 Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ :

- Luật điều khiển tần số: Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải

không đổi Nếu bỏ qua điện trở dây quấn Stato thì có thể tính

được momen tới hạn:

Luật điều chỉnh từ thông không đổi

Từ các quan hệ về đặc tính momen có thể kết luận rằng nếu giữ từ

thông máy hoặc từ thông của Stato ϕ s không đổi thì momen sẽ

không phụ thuộc vào tần số và mth sẽ không thay đổi trong toàn bộ

Nếu giữ tần số f không trượt ws ≈ const thì momen chỉ phụ

thuộc vào Is mà không phụ thuộc vào tần số nguồn

4 Phương pháp tăng số lần chuyển mạch trong 1 chu kỳ :

Nguyên tắc đầu tiên khi tăng tần số nên n lần thì điện áp trong

mạch cũng phải năng lên n lần (Tỉ lệ thuận với nhau trong mạch

dao động)

5 Phương pháp điều chỉnh biên độ:

Ud thay đổi dẫn đến Unl thay đổi

6 Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung:

- Trong phương pháp này góc chuyển mạch được xác định bằng

cách so sánh So sánh giữa tín hiệu mẫu hình sin e(t) với tín

hiệu dựa thường có dạng răng cưa u(t) Tần số tín hiệu u(t) càng

lớn thì tín hiệu ra tải càng gần với hình sin hơn

- Ưu điểm: Vừa điều chỉnh được điện áp vừa làm sin hóa động cơ

điện áp đặt vào động cơ

- Với số lượng các xung có độ rộng thích hợp phương pháp điều

chỉnh độ rộng Xung có thể làm triệt tiêu các sóng bậc cao

 Do đó phương pháp này rất hay được sử dụng

Với phương pháp điểu chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

bằng biến tần thì không nhận điện áp từ lưới điện mà nhận

điện áp từ nghịch lưu của biến tần

- Ta nhận thấy rằng suất điện động của dây quấn của Stato trong

động cơ không đồng bộ tỉ lệ với tần số đặt vào f1 và từ thông Φ:

E1 = k Φ.f1 (1)

- Mặt khác ta có phương trình cân bằng điện áp:

U1 = -E1 + I1Z1

- Nếu coi sụt áp trên dây quấn phản ứng phần ứng là không đáng

kể thì ta có:

U1 ≈ e1 , U´ = ´E

Từ (1) suy ra U´1 = k.ϕ.f1 (3)

Từ (3) ta thấy, để đảm bảo cho đặc tính cơ có độ cứng cao và

khả năng quá tải lớn, đồng thời điều chỉnh điện áp u1 sao cho từ

thông ϕ không đổi, nghĩa là thay đổi ϕ = U1

f1 để cho động cơ hoạtđộng tối ưu

Phương pháp điều khiển tốc độ ta chọn:

M là momen vận tốc của động cơ không đồng bộ 3 pha

R2 là điện trở phụ của phần Roto

U là điện áp của Stato

2πf1 = ω1 là tần số của Stato

X1 là điện kháng của Stato

Để thay đổi momen tốc độ quay của động cơ không đồng

bộ 3 pha thì ta sử dụng phương pháp thay đổi tần số của Stato

bằng bằng cách dùng biến tần điện áp

Vì tỉ số giữa điện áp và tần số là 1 hằng số nên khi thay đổi tần số

thì đồng thời cũng phải thay đổi điện áp (cùng tăng hoặc cùng

giảm)

H1.3 Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

Chương II : TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN

TẦN, MẠCH ĐỘNG LỰC, TÍNH CHỌN CÁC

PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC

II.1 HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ

XOAY CHIỀU

Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay

chiều đồng bộ và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng

quyết định đến chất lượng của hệ thống truyền động Phụ thuộc vào

phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hướng

điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống chế biến tần

khác nhau Trong thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các

bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu

trung gian một chiều Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực

tiếp do chất lượng điện áp đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực

công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được đặt lên hàng đầu Ngày

nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển,

phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp

ra cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang

ngày càng được mở rộng Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là

các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại

này có thể khống chế theo các phương pháp khác nhau: điều chế độ

rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men

Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển

điện áp và tần số theo qui luật U1/f1 = Const dễ thực hiện nhất, đường

đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng

cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thường, nhưng

khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây

ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến

hành bù sụt điện áp cho mạch stator Điều khiển Es/f1 = const là mục

tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U1/f1 = const, khi ở trạng thái

ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí không đổi (Фm =

const), từ đó cải thiện được chất lượng điều tốc ở trạng thái ổn định

Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về

mômen quay vẫn bị hạn chế

Hệ thống truyền động điều khiển Er/f1 = const có thể nhận được

đường đặc tính cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích

từ độc lập, nhờ đó có thể thực hiện điều tốc với chất lượng cao Dựa

vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor Фrm= const để tiến hành

điều khiển có thể nhận được Er/f1=const Trong trạng thái ổn định và

trạng thái động đều có thể duy trì Er/f1=const là mục đích của điều tốc

biến tần điều khiển vec tơ

II.2 SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN.

1 Khái niệm: Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực

nhất định thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ

khoá điện tử

2 Phân loại

a Biến tần trực tiếp:

Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi

nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp

xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được Do quá trình biến đổi

không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp,

còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter) Như vậy

điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với

U2(f2)

Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp

chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc

thấp Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1

Ví dụ:

H2.1: Sơ đồ biến tần trực tiếp

b Biến tần gián tiếp:

Còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này đầu tiên điện áp

được chỉnh lưu thành dòng một chiều Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại

dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay

đổi f2 không phụ thuộc vào f1)

Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.Tuy nhiên việc

ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huy tối đa

các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

B C

Ví dụ :

H.2.2 Sơ đồ biến tần gián tiếp

H.2.3 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp

Phân loại biến tần gián tiếp

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm

hai loại sử dụng nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp

a) Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn

dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của

nguồn, còn dạng áp trên tải tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy

D10 D12 D8 Co

C1 C3 C5

C4 C2 C6

L2

L1 Lo

ÑKB U2, f2

~

U1, f1

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp

(nghĩa là điện trở nguồn bằng 0) Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc

vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc

vào thông số của mạch tải quy định

Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và

điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng

rãi hơn

Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận

động lực và bộ phận điều khiển

II.3 Phần động lực gồm có các phần sau:

- Bộ chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi nguồn xoay chiều có tần

số f1 thành nguồn một chiều Ở đây ta dùng chỉnh lưu cầu Diode 3 pha

vì đề bài cho động cơ có công suất nhỏ

Đầu vào của mạch chỉnh lưu là nguồn điện có điện áp U1, tần số f1

H.2.4 Sơ đồ mạch chỉnh lưu

H.2.5 Sóng chỉnh lưu

Gọi điện áp xoay chiều đặt vào bộ chỉnh lưu là U, còn điện áp ra

là Ud một chiều Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha cho điện áp và dòng chỉnh

lưu tốt hơn so với sơ đồ hình tia, máy biến áp đươc sử dụng triệt để

hơn và không bị từ hóa bởi dòng điện 1 chiều

Nguyên lí hoạt động: Điện áp các pha thứ cấp:

- Xét tại thời điểm tương ứng với θ1, ta thấy điện thế tại các điểm

A,B,C như sau: VA < VB < VC , dòng điện đi từ A => B => C

- Diode D1, D3 mở ra sao cho dòng chảy qua đó Vf = VA > VB > VC

D5 bị khóa do điện áp catot của chúng là VA > VB > VC

D1 mở sao cho dòng chạy qua và do đó VG < VA < VB < VC

Các diode D4, D6 khóa là do điện thế tại catot của chúng là VA hoặc

VB lớn hơn điện thế anot VC

Khoảng Chiều dòng điện Diode mở Điện áp tải Ud

Dòng tải bao giờ cũng xuất phát từ điểm có điện thế cao nhất

đến điện thế thấp nhất Mỗi diode cho dòng chạy qua trong 1/3 chu

kỳ (2π/3) Mỗi cuộn dây thứ cấp máy biến áp trong 2 đầu 1 phần 3

chu kỳ (2π/3): 1/3 chu kỳ với diode dưới

Giá trị tức thời của điện áp tải U d bằng giá trị tức thời điện áp 2 pha

đang cung cấp cho tải

- Bộ nghịch lưu: là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến

đổi nguồn điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu có tần số f1

thành nguồn điện xoay chiều Ta sử dụng nghịch lưu áp 3 pha hình

cầu, thiết bị dùng để nghịch lưu có thể là Tiristor, Transistor, Mosfet,

IGBT,…

- Ở đây ta sử dụng bộ nghịch lưu IGBT vì có ưu điểm có điện

trở mạch cổng lớn làm hạn chế công suất tổn hao khi đóng và cắt, khả

năng làm việc với dòng điện lớn và có thể đóng cắt nhanh bằng xung

điều khiển

H.2.6 Sơ đồ mạch nghịch lưu

Phương pháp điều khiển các van IGBT thông thường nhất là điều

khiển cho góc mở của van là λ =180 o và λ =120o Ở đây ta xét góc

dẫn với tải đấu sao, ta xác định điện áp trên tải trong từng khoảng thời

gian 600 ( vì cứ 600 có một trạng thái chuyển mạch ) với nguyên tắc

van nào dẫn coi như thông mạch

Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối với hai pha đấu song

song nhau Do vậy điện áp 1 pha trên tải sẽ chỉ có hai giá trị là U d

3 Khi một pha đấu song song với 1 trong 2 pha còn lại hoặ c 2U d

3 khi một pha nối tiếp với nhánh song song còn lại Với giả thiết tải đối

xứng

H.2.7 Dạng sóng mạch nghịch lưu

- Bộ lọc: Là bộ phận trong mạch động lực cho phép thành phần

một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay

chiều Nó có tác dụng san bằng điện áp và dòng sau khi chỉnh lưu

H.2.8 Sơ đồ mạch lọc

- Bộ băm điện áp: Có tác dụng biến đổi điện áp 1 chiều thành

xung điện áp Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số

trung bình điện áp tải

H.2.9 Sơ đồ mạch băm

II.4 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC

Các thông số cho trước:

a) Nguồn điện lưới xoay chiều 3 pha

b) Động cơ không đồng bộ 3 pha:

Từ các thông số trên dễ dàng tính được các đại lượng cần thiết:

Các thông số của động cơ:

- Tốc độ góc của động cơ: ω đm = 2 π ×120060 = 125,6 rad/s

- Momen định mức của động cơ: Mđm = P đm

ω đm = 125,62000 = 15,9 N.m

- Dòng điện pha của động cơ:

- Ifa = P đm

3U f cosφ=

2000

3 ×220 × 0,85=3,56 A

 Vì tải đấu sao nên dòng điện chạy qua mỗi IGBT lúc cực đại bằng

dòng chỉnh lưu và cũng chính là dòng vào động cơ

c) Tính chọn thiết bị mạch công suất:

 Thực tế giá trị Ud = 466,7 đặt lên cuộn stator là giá trị điện áp sau

chỉnh lưu đã trừ đi xấp xỉ (2V) do sụt áp trên các IGBT công suất

Vậy giá trị điện áp sau chỉnh lưu đưa đến nghịch lưu là: Ud =

466,7 + 2 = 468,7 V

Xác định Id:

- Từ số liệu của phụ tải động cơ: Ifa = 3,56 (A)

Ifmax = Ifa √2 = 5,03 (A)Công suất của 1 pha: P’ = P/3 = 666,67 W

P’ = R.I2 => R = P’/I2 = 52,6 (Ohm)Dòng điện cơ sở: I0 = Ud / R = 8,91 (A)

Vì dòng Id tại mỗi thời điểm là tổng dòng điện chạy qua 3 IGBT

Như vậy, dòng điện hiệu dụng chạy qua mỗi IGBT bằng ½ dòng

điện hiệu dụng của từng pha

Vậy dòng điện Id qua nghịch lưu là: Id = 3/2 If = 5,34(A)

II.5 Tính chọn các phần tử mạch động lực:

1 Bộ chỉnh lưu:

- Máy biến áp công suất khoảng 10 KVA thuộc loại biến áp công

suất nhỏ , sụt điện áp trên điện trở tương đối lớn khoảng 4%, sụt

áp trên điện kháng ít hợn khoảng 1.5%, sụt áp trên 2 diode nối